浅述钢结构在水利工程中的应用

2018-02-14蔡育杰

建材与装饰 2018年7期

蔡育杰

（青海大学水利电力学院青海西宁 810016）

引言

钢结构在国内外各领域的应用极其广泛。本文就钢结构的特点、发展历程、应用前景等方面来展开，基于水利工程中钢结构的应用和技术来介绍，从钢结构在水利工程领域的应用和发展角度展开，结合一些著名的水工钢结构建设的实际情况浅述钢结构在水利工程中的应用。

1 钢结构的基本知识

用型钢或钢板制成基本构件，根据使用要求，通过焊接或螺栓连接等方法按照一定规律组成的承载结构叫做钢结构[1]对于钢结构的应用和分析。不仅仅是力学的分析和运算，因为要获得一个质优的结构，还必须了解清楚结构材料的特点及结构的使用要求，了解结构的工作状况，掌握钢材在各种因素影响下的工作性能以及构造方面的要求。借助于丰富的工程实践知识，做出合理的总体结构布置和合理的结构选型，然后才能设计构件，进行构造处理，并确定必要的制造工艺要求和安装方法等。钢结构是一种受力性能良好的空间结构体系，是我国建筑工程中广泛应用的一种重要结构形式，其主要结构特点为：

1.1 钢结构自重较轻

虽然钢的密度很大，但其强度也很高，故构件所需的截面面积较小，钢材容重与其设计强度的比值也相对较小，所以自重较轻便于运输和安装。以钢骨架作支撑的空间结构可广泛应用于建筑开间、进深和跨度较大、高耸的结构。凭借这一特点可减轻建筑物重量，增加空间利用率，故可试用活动结构中减少驱动力，如水工中的各类钢闸门。

1.2 具有良好的抗震性和抗冲击性

钢结构的塑性和韧性较为出众，又因为其自重较轻，引起的振动惯性力也较小，故能有效的降低地震活动的震损强度。

1.3 装配性及施工方便性良好

钢结构自重较轻且其部件加工精细、尺寸准确，在现场装配时十分简易快捷省时省力，并且运输也较为方便。故而在具体工程中的应用可缩短建筑工期，提高施工效率。

1.4 钢结构易腐蚀

钢结构建筑在历经风雨的冲刷后会发生锈蚀，影响其承重能力，尤其是水工钢结构容易腐蚀的缺点较为突出。故在初建时一般都对钢结构采取防腐蚀措施，如：涂层、镀锌防锈等。建成后也要定期维护。

1.5 钢结构不耐高温

当温度高于300℃时钢结构的强度和弹性模量会显著下降，达到500～600℃以上时，钢材即失去承载能力，温度达到150℃时，应在结构或构件外部包以石棉、混凝土、或含有蛭石的水泥浆层[1]。

2 钢结构在水利工程中的应用

2.1 水利工程建设中钢结构优劣性分析

钢结构在水利、水电、水运、海洋采油等工程中大致有六个方面的应用：活动式结构、装拆式结构、板结构、高耸结构、大跨度结构、海工钢结构。

（1）活动式结构

在水工建筑物中主要的活动式结构有：闸门、拦污栅、阀门、船闸闸门、升船机和引桥等。

在这类活动式的结构件来说，其建筑选材应主要考虑材料的密度因素，自重较轻的材质可降低启闭设备的造价和运转所耗费的动力。而上文钢结构特点第一个突出的特点即是自重较轻，因此在水工结构中的活动式结构可充分发挥钢结构自重较轻的优势。

（2）装拆结构

水利工程施工建设中常会遇到构件的拆装，结构的搬迁以及一些机动的结构，因而钢结构的自重轻、良好的装配性、运输方便、灵活性强的特点相较于其他材料便显得经济性和合理性更胜一筹。

（3）板结构

钢结构又一大特点即是其密封性好，易于用钢结构做成密封结构，如一些管道和各种容器等。在水利工程中对密封的要求标准很高，例如压力管道、贮液罐等结构均采用钢材质来制造，以达到其密封性要求。

（4）高耸结构及大跨度结构

大坝是水利工程中的主体建筑物，通常为满足水库蓄量、防洪指标、电站出力等要求都会将坝体修建的很高、且跨度很大。坝高通常都是几十米甚至上百米，且一般在河道断面较宽的地方。除此之外，水利工程中还涉及一些线路塔、微波塔、电视转播塔等高耸的建筑物，在上述这些构造中钢结构更体现出了其抗振性、抗冲击性好且自重较轻、易装配的优势性，故而被广泛应用于水利工程中。

（5）海工钢结构

海洋工程中水利工程中的一个分支领域，主要涉及一些海洋的钻井和采油工程。在海洋中作业首先应考虑的就是作业平台搭建的问题。这类结构要承受平台上各种装置以及机械设备的荷载，还有风浪和冰等动力荷载作用，这就发挥了钢材强度高、抗振性和抗冲击性好且便于海上安装等特点[1]。

2.2 钢结构在水利工程中的应用实例分析

在水利水电工程中，金属结构种类较多，大多采用钢铁材料制作加工而成，也被称作水工钢结构或水工机械设备。金属结构主要包括5种钢质设备：闸门、压力钢管、拦污栅、清理与启闭机[4]。而充分考虑钢结构的多重优势来看，这些水工建筑构件的首选必然是钢结构。故笔者将在本节就这几个模块分别对钢结构在这些构件中的应用实例作以分析。

2.2.1 钢闸门

水工钢闸门是水工钢结构中极其关键的设备，其运行情况将会直接关系到整个水利工程系统的状况。国内大多数水库大坝均采用钢结构来修筑闸门即水工钢闸门。

（1）葛洲坝工程弧形闸门

葛洲坝水利枢纽二江泄水闸闸型为开敞式，采用双层闸门布置，上扉为平板门，下扉为弧形门。其跨度为12m，高度为12m，水头为27m。每扇闸门承受的总水压力达4200kN。设计蓄水位66m时弧形门轴推力可达4100t。该应用即是钢结构在水工钢闸门应用中的典例，其设计采用预应力锚束锚固钢筋混凝土锚块支撑大型弧形闸门的方法，可以解决闸墩支铰区钢筋过多，布置困难的问题，并且避免了混凝土裂缝，是水利工程中较为有利的应用。

（2）长江三峡双线五级船闸

三峡船闸是目前世界上规模最大、级数最多、总水头最高、施工难度最大的船闸。船闸总长6442m，其中上游引航道213m，下游引航道2708m，船闸主体段1621m。每线船闸主体段由6个闸首和5个闸室组成，每个闸室长28m、宽34m，闸室砍上最小水深5m。闸门既要求有足够的刚度，又要求能适应闸首的变形，巨大的门体自重加大了人字门底枢润滑的难度。钢结构强度高，刚度优良且自重又轻，故在三峡水利枢纽南线第二级闸首的人字形闸门即采用钢材结构。其船闸闸室宽34m、每扇门宽20.2m、门高38.5m，闸门承受的最水头（上下游水位差）为36m，每扇门承受的总水压力为130000kN，每扇门自重达8300kN。其规模已超过目前世界上大型的船闸，如美国的新威尔逊船闸、罗马尼亚的铁门船闸等[1]。

2.2.2 水工钢焊接技术

钢结构常用的连接方法有焊接连接，铆钉连接和螺栓连接，其中焊接是现代钢结构的主要连接方法，其优点是：不削弱构件截面（不必钻孔），可省去拼接板因而构造简单、节约钢材、制造加工方便。

在大、中型水电站焊接钢结构主要有压力钢管（包括蜗壳）、铁闸门、启闭机结构件、水轮机焊接座环、发电机圆盘转子支架、升船机承船厢主体以及其他大型钢结构件。这些水工钢结构大多是设计水头高、容量大、构件庞大、结构受力复杂、焊接质量要求高的焊接结构，在水利工程领域涉猎甚广。

2.2.3 水利行业中建筑设施

在水利工程行业中除了挡水建筑物大坝、池水建筑物溢洪道、输水建筑物隧洞、引水渠以外，还涉及许多其他的保障水利工程正常运行的建筑物，如：水电站厂房、抽水泵和启闭闸房等。这些建筑物往往很少选用钢结构来修筑，从而导致这些其他建筑物的使用寿命很短、抗冲击性、抗震性弱，经常发生损毁现象。而水利工程一般的设计使用年限都比较长，其配套房建设的使用期亦须跟工程相匹配，运用钢结构实施建筑和改造是现如今水利工程施工建设的一大选择。而且，目前水利工程中配套房建设施均选择运用钢结构，以解决其提前老化、失修的问题。

3 水工钢的发展前景

水工钢结构的施工期短，与混凝土相比，钢结构的自重较轻，且现场施工安装便利，而水利工程设施环境一般比较恶劣，故而水工钢结构的运用必是水利行业的一大选择。另外一方面，也可以有效缓解我国目前钢铁产能过剩的问题。在未来的发展中，水工钢的发展方向将主要着眼于新型钢的研制与运用，以用来解决和适应水利工程施工时的特殊应用环境。如：高强度低合金钢、镀铝锌薄板等的国产化、高性能钢，如耐热钢，耐侯钢等。